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據(jù)說(shuō)息壤是一種可以自生自長(zhǎng)的土，大禹治水時(shí)曾用它治理洪水。本文根據(jù)詳實(shí)的考古資料，對(duì)這種傳說(shuō)中的巖土材料進(jìn)行了考據(jù)，根據(jù)河貍壩與我國(guó)古代的加筋土工程，指出所謂息壤應(yīng)當(dāng)是古代人們利用草、木、竹、石、土創(chuàng)造的加筋土，用以攔截阻擋洪水。本文回顧了我國(guó)土工加筋的悠久歷史，指出我國(guó)在水利工程中，利用加筋土結(jié)構(gòu)已有5000年以上的歷史。西方的學(xué)者們似乎認(rèn)為世界的中心是在歐洲。科學(xué)技術(shù)的歷史都發(fā)源于歐州。對(duì)于加筋土，他們普遍的說(shuō)法是：1963年，法國(guó)的工程師亨利.維達(dá)(Henri.Vidal) 在觀察鳥(niǎo)類利用泥和草筑巢，受到啟發(fā)；提出來(lái)加筋土這一新概念。并提出并建造了金屬片+砂質(zhì)粉土建成加筋擋土墻。真是十分可笑，數(shù)典忘祖。加筋土這一概念與技術(shù)在史前人類文明的早期就已形成和使用。
中華民族號(hào)稱具有5000多年的歷史，但有文字記載約為3700年左右，即考古發(fā)現(xiàn)的殷商時(shí)期的甲骨文。此前的唐堯虞舜基本上屬于傳說(shuō)。
《山海經(jīng)》是大約先秦時(shí)代的重要古籍，但并非史籍，其所述基本屬于傳說(shuō)。內(nèi)容龐雜，想象豐富，涉及中國(guó)古代歷史、地理、文化、中外交通、民俗、神話等。其中的遠(yuǎn)古神話傳說(shuō)，如夸父逐日、女?huà)z補(bǔ)天、精衛(wèi)填海、大禹治水等，有些看似荒誕，但其中包含有豐富的歷史信息。
我國(guó)最早的有記載的水利工程實(shí)踐應(yīng)當(dāng)是大禹治水，大約是在4100年以前的新石器時(shí)期?！渡胶＝?jīng)》中講到：“洪水滔天，鯀竊帝之息壤以堙洪水，不待帝命。帝命祝融殺鯀于羽郊。鯀復(fù)生禹，帝乃命禹卒布土以定九州。”這里講的是鯀盜取竊了天帝的“息壤”，用以治水。在《淮南子》中也提到“禹乃以息土填洪水，以為名山?！薄】梢?jiàn)大禹也是用息土來(lái)治水的。那么這個(gè)息壤或者息土是什么東西呢？郭璞在《山海經(jīng)注》中說(shuō)：“息壤者，言土自長(zhǎng)息無(wú)限，故可以塞洪水也?！?看來(lái)息壤或者息土是一種可以自己增長(zhǎng)的土，而在流水中不被沖毀，所以被用來(lái)阻截洪水。
屈原在《天問(wèn)》中一口氣向上天提出了170多個(gè)問(wèn)題，其中有一些是巖土工程問(wèn)題。例如他問(wèn)“洪象極深，何以填之？”“鯀何所營(yíng)？禹何所成？”從巖土工程的角度，應(yīng)當(dāng)說(shuō)屈原的這些問(wèn)題是很有專業(yè)水平的：當(dāng)時(shí)洪水滔滔，波濤洶涌，既深且急，用什么巖土材料和施工工藝修堤筑壩，攔擋洪水而不被沖走？既然鯀和他的兒子禹都使用了息壤或者息土，那么息壤是什么東西？為什么鯀“九年而水不息，功用不成”，結(jié)果被“殛于羽山而死”；而大禹則功成于天下，二者的治水方略有什么不同呢？
我們知道，大禹治水是十分辛苦的，充分發(fā)揮了艱苦奮斗的精神：“勞身焦思，居外十三年，過(guò)家門而不入”；他也很重視規(guī)劃和技術(shù)，“左準(zhǔn)繩，右規(guī)矩”，親自勘察測(cè)量，規(guī)劃設(shè)計(jì)。但是成功的關(guān)鍵恐怕還是治水方略的正確，不是單純依靠息土來(lái)攔截洪水，而是湮（塞、填）、導(dǎo)、蓄相結(jié)合，《史記》里講他“開(kāi)九州，通九道，陂九澤，度九山”，終于戰(zhàn)勝了洪水。
這里就有一個(gè)讓巖土工程技術(shù)人員十分感興趣的問(wèn)題，那就是“息壤”的實(shí)物應(yīng)當(dāng)是什么東西？根據(jù)以上文獻(xiàn)可以看出它具有如下特點(diǎn)：
（1） 它既稱為息壤或息土，其主要成分應(yīng)當(dāng)是土。
（2） 它竊之于天帝，應(yīng)當(dāng)是一種極有創(chuàng)意的東西。陸游講“文章本天成，妙手偶得之”，亦即一切完美奇妙的東西都是上天創(chuàng)造的，只有天才與妙手才能夠發(fā)現(xiàn)與獲得，也可以說(shuō)是從上帝那里竊來(lái)。“鯀竊帝之息壤”，并將其傳于禹，從這點(diǎn)看，鯀也是一個(gè)失敗的英雄，與希臘英雄普羅米修斯盜火一樣，盜取了息壤，為大禹的成功治水創(chuàng)造了條件，造福于人類。
（3） 它可在流動(dòng)的洪水中不被沖散流失，并可以不斷增長(zhǎng)，所以可用以攔截洪水，在大禹成功治水過(guò)程中，發(fā)揮了極大的作用。
提起治水，使人首先想起了河貍，它們可以在河中筑壩的，是成功的治水者。河貍在岸邊咬斷一棵30cm直徑的樹(shù)只需幾十分鐘，它設(shè)計(jì)好角度讓樹(shù)倒向河里（見(jiàn)圖1），或者干脆掘一條運(yùn)河以便水運(yùn)樹(shù)干。它首先將咬斷的粗大的樹(shù)干豎直立于河床為樁，再用帶叉的樹(shù)枝在下游斜撐，然后用樹(shù)木枝條、草的枝葉、塊石、碎石、泥土層層填筑建成攔河大壩。壩建成后，上游泥沙草木逐漸淤積（亦即自長(zhǎng)息無(wú)限），形成防滲結(jié)構(gòu)，蓄水成庫(kù)。這種壩的兩側(cè)低于中間，河水量過(guò)大時(shí)則從兩側(cè)溢流，由于樹(shù)的枝干消能保護(hù)而不會(huì)被沖毀。水庫(kù)建成以后，它可在水庫(kù)中捕魚(yú)游戲，并讓水淹沒(méi)其洞口，臥室則在高于水位的河岸地下，設(shè)有通風(fēng)口，其家園安全舒適。據(jù)說(shuō)在加拿大這種河貍壩最長(zhǎng)達(dá)850m，從衛(wèi)星上可以都清楚見(jiàn)到，是由若干河貍家族合力建造的。圖1為這位勤勞而睿智的水利工程師及其建造的河貍壩。
圖1.天才的水利工程師——河貍
2015年在多年勘探調(diào)查的基礎(chǔ)上，經(jīng)10年的勘探與發(fā)掘，在浙江省杭州一帶確認(rèn)了分布于良渚古城西北部的水利系統(tǒng)。這是一系列規(guī)模宏大的防洪工程。從防洪角度看，天目山為浙江省最大的暴雨中心，夏季節(jié)極易形成山洪，對(duì)地處下游平原的良渚遺址群形成直接的威脅。通過(guò)水利系統(tǒng)的高、低兩級(jí)土壩，可以將大量的雨水滯留在山谷和低地內(nèi)，解除洪水直接的威脅。GIS分析顯示，高壩約可以阻擋短期內(nèi)870mm的連續(xù)降水，即相當(dāng)于本地區(qū)降水量百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。低壩內(nèi)是一個(gè)倒三角形的低洼地，根據(jù)低壩現(xiàn)存的壩高海拔10米推測(cè)，可形成面積達(dá)8.5平方公里的廣闊庫(kù)區(qū)。這是一套攔洪、蓄洪相結(jié)合的規(guī)劃嚴(yán)密的系統(tǒng)工程。僅外圍的堤壩的總土方量即達(dá)260萬(wàn)方。工程同時(shí)還有運(yùn)輸、用水、灌溉等功效。其土壩結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.
巖土是人類最早接觸的建筑材料，也是古代人類最早使用的工具與武器，“水來(lái)土湮”，表明古代人類在與洪水斗爭(zhēng)中，土是他們最方便和有效的武器。但是由于土是碎散的，在流水中會(huì)被沖散帶走，如屈原所問(wèn)：“洪象極深，何以填之？”這就需要把它們連接合成整體，最簡(jiǎn)單方便的方法就是利用天然的草、木、竹等纖維材料將土石結(jié)合成整體。作為萬(wàn)物之靈的古人一定是見(jiàn)到河貍筑壩而受到啟發(fā)，使用了相似的工法治水，這也可以說(shuō)是竊之于天吧。這就是原始的土的加筋與防護(hù)。
圖2. 良渚古城堤壩中的堆土結(jié)構(gòu)及草裹泥的團(tuán)塊
圖3草裹泥制作流程復(fù)原
在良渚古城的水利系統(tǒng)中，先人們采用了一種巧妙的工藝：將土以蘆荻茅草包裹形成長(zhǎng)圓形的泥包，再將其縱橫砌筑。其作用大致相當(dāng)于現(xiàn)代修建堤壩使用草袋裝土。在土內(nèi)加入這種植物纖維并壓實(shí)，能使壩體增加抗拉、抗剪強(qiáng)度和整體性，不易崩塌和被沖毀。
如此宏大的工程，精巧的工藝，竟然完成于5000多年前。對(duì)堤壩遺址內(nèi)的草木經(jīng)北京大學(xué)年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室C14測(cè)定，結(jié)果顯示，上述各地點(diǎn)系列樣品的樹(shù)輪校正值全部都落距今4700-5100年之間，屬于良渚文化早中期。
表1 良渚古城水利工程中的草木的C14測(cè)定
Lab編號(hào)
樣品
C14（BP）
誤差
樹(shù)輪校正后年代
1σ(68.2%)
2σ(95.4%)
BA10533
草
4305
35
3010BC ( 7.8%) 2990BC
2930BC (60.4%) 2880BC
3020BC (95.4%) 2880BC
BA10732
草
4430
35
3310BC ( 1.9%) 3300BC
3290BC (10.3%) 3230BC
3110BC (47.4%) 3000BC
2980BC ( 8.6%) 2930BC
3330BC (24.3%) 3210BC
3180BC ( 3.0%) 3150BC
3130BC (68.1%) 2920BC
BA10733
草
4420
40
3270BC ( 5.2%) 3240BC
3100BC (43.6%) 3000BC
2990BC (19.3%) 2920BC
3330BC (19.6%) 3210BC
3180BC ( 2.3%) 3150BC
3130BC (73.5%) 2910BC
BA120581
竹
4130
40
2870BC (20.3%) 2800BC
2760BC (47.9%) 2620BC
2880BC (95.4%) 2580BC
BA120586
竹
4345
30
3010BC (68.2%) 2900BC
3080BC ( 2.0%) 3060BC
3030BC (93.4%) 2890BC
BA120587
草
4215
35
2900BC (27.6%) 2860BC
2810BC (37.6%) 2750BC
2720BC ( 3.0%) 2710BC
2910BC (35.0%) 2830BC
2820BC (60.4%) 2670BC
BA120588
植物葉
4060
35
2840BC ( 5.1%) 2820BC
2640BC (44.4%) 2560BC
2540BC (18.7%) 2490BC
2850BC ( 9.6%) 2810BC
2750BC ( 1.5%) 2720BC
2700BC (84.3%) 2470BC
BA120589
草
4290
25
2915BC (68.2%) 2890BC
2930BC (95.4%) 2875BC
再看大禹治水中的息壤，郭璞講它自長(zhǎng)息無(wú)限，在治河工程中，有很多結(jié)構(gòu)可以使河道落淤而增長(zhǎng)，如圖4所示的丁壩與導(dǎo)流堰。
(a) 都江堰的飛沙堰 (b) 治河落淤的丁壩
圖4 使河道淤積的工程措施
這一類結(jié)構(gòu)不將水完全攔截，而是調(diào)節(jié)河水的流量與流向。在彎曲的河道中，由于橫向的環(huán)流的作用，凸的一側(cè)是淤積的，而凹的一側(cè)被沖刷。如果在平直的河道的一側(cè)建造丁壩，則講主流挑向?qū)Π?，并沖刷對(duì)岸的岸坡，而丁壩壩后則可不斷淤積，從而改變河道。在新疆的霍爾果斯河上，我見(jiàn)到在中國(guó)的一側(cè)，人們建造了很長(zhǎng)的丁壩，結(jié)果把哈薩克斯坦一側(cè)的河岸沖得壁立數(shù)丈，還在不斷地崩岸。當(dāng)時(shí)我想：我國(guó)被俄羅斯搶占了上百萬(wàn)平方公里的土地，現(xiàn)在又在一寸一寸地往回?fù)?，可?jiàn)中國(guó)人的小聰明。
在流速很高的河道中，在洶涌的洪水中，息壤不被沖失（堙、填、塞洪水），并可以使河道淤積而不斷生長(zhǎng)，用以攔截洪水，整治河道。在大禹成功治水過(guò)程中，發(fā)揮了極大的作用。進(jìn)行這類工程的施工，就需要體積和重量巨大的石料或結(jié)構(gòu)體。圖5為三峽截流時(shí)使用的幾十噸重的混凝土四面體塊。而在遠(yuǎn)古時(shí)代不可能制造與運(yùn)輸這樣的龐然大物，而是代以人工制作的各種復(fù)合體。見(jiàn)圖6，圖7。
圖5 三峽截流時(shí)用的巨大的混凝土四面體與卡車
圖6.仿生-都江堰中的榪槎
有趣的是，從圖6可以清楚地看到古人學(xué)習(xí)模仿河貍的痕跡。在都江堰工程中，普遍使用竹、木、石混合的材料，如榪槎、竹籠、條排等。它們連接成整體，可分可合，體積巨大，施工方便。用于截流、攔洪、護(hù)岸，是治水的強(qiáng)大武器。
史書(shū)記載：成帝建始7年“以竹落長(zhǎng)四丈，大九圍，盛以小石，兩船夾載下之以堵決口，三十六日河堤成”。 這就是圖7(b)中的“羊圈”
圖7.竹木夾石的復(fù)合結(jié)構(gòu)體
在公元前140~110年的西漢初期，漢武帝為了討伐匈奴，運(yùn)送糧草，橫穿灞河修建一個(gè)超級(jí)工程：大漢漕渠。漕渠漢代的起點(diǎn)是從昆明池流經(jīng)西安北郊河止西、溝上村，穿過(guò)灞河，經(jīng)新筑鎮(zhèn)、新豐鎮(zhèn)、渭南、華縣到華陰市北進(jìn)入渭河，全長(zhǎng)300里。見(jiàn)圖8.
圖8 大漢漕渠平面圖
這種兩河相交的工程難度是很高的，兩千多年前，沒(méi)有混凝土，沒(méi)有大型機(jī)械，只靠人工，既要保證枯水期水位，以確保通航；又要在汛期不被沖毀，保證岸坡穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)的朝臣徐伯請(qǐng)命承擔(dān)這一工程。他主要是利用灞河兩岸盛產(chǎn)的柳樹(shù)，夾青膏泥制成條捆，用以護(hù)坡。同時(shí)在交叉口用木樁加木制沉井(木箱內(nèi)加卵石)固岸。見(jiàn)圖9。
圖9 岸坡加固工程措施
護(hù)坡用的條籠的制作見(jiàn)圖10。即首先在河岸上縱橫鋪設(shè)麻繩，然后鋪設(shè)鮮的柳條；上面鋪一層碎石及碎磚瓦；再鋪一厚層青泥膏；從一頭卷成條籠。最后把它逐個(gè)推下河岸，打樁固定，形成連續(xù)的護(hù)坡結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖11。
圖10 條籠的制作
圖11 條籠護(hù)岸的施工
2000年灞河水位較低，人們?cè)诤訛┌l(fā)現(xiàn)了一片巨大的圓柱狀黑色土體，細(xì)看發(fā)現(xiàn)其中有柴草旋成的同心螺旋線。螺旋線間夾著堅(jiān)硬的黑泥，黑泥里摻雜著瓦礫、砂礫和木質(zhì)。經(jīng)過(guò)碳14的年代測(cè)定，這些殘片是兩千多年前西漢的瓦礫。通過(guò)對(duì)黑色淤泥進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室研究分析，發(fā)現(xiàn)了柳條的纖維。
圖12 河灘上巨大的的土柱群
圖13 柳枝、淤泥、石塊形成的柱狀體
這些漢代的遺物揭示出當(dāng)年的一個(gè)超級(jí)的工程，它與5000年前良渚古城的水利工程系統(tǒng)有異曲同工之妙。先秦時(shí)期《慎子》記載“治水者茨防決塞”；《漢書(shū)》也記載：漢武帝“自臨決河，令群臣自將軍以下，皆負(fù)薪填決河，…下淇園之竹以為楗”。可見(jiàn)在漢代這種草木土石混合的結(jié)構(gòu)物廣泛用于治河、防汛、堵決口工程中。并要求干部參加勞動(dòng)，群臣自將軍以下都要去背柴草，制成條籠，打樁固定。
到了宋代，在治河工程中已經(jīng)形成一個(gè)單獨(dú)的工種——埽工?！端问?河渠志》載：“先擇寬平之所為埽場(chǎng)。埽之制，密布芟索，鋪梢，梢芟相重，壓之以土，雜以碎石，以巨竹索橫貫其中，謂之心索。卷而束之，復(fù)以大芟索系其兩端，別以竹索自內(nèi)旁出。其高至數(shù)丈，其長(zhǎng)倍之。凡用丁夫數(shù)百或千人，雜唱齊挽，積置于卑薄之處，謂之埽岸。既下，以撅臬閡之 ，復(fù)以長(zhǎng)木貫之。其竹索皆埋巨木于岸以維之?！避＠捎糜谧o(hù)岸護(hù)、堵口和筑壩等，廂埽主要用于護(hù)岸。埽工每一構(gòu)件叫埽個(gè)或埽捆，簡(jiǎn)稱埽。小的叫埽由或由。見(jiàn)圖14.
圖14. 卷埽與廂埽
我國(guó)古老的長(zhǎng)城，最早在2000多年前，很多地段是使用柴草加筋建成的。圖15為古長(zhǎng)城的遺跡。史書(shū)記載：“非皆以土垣也，或因山巖石，木柴僵落，溪谷水門，稍稍平之”。這種柴草加筋在 “溪谷水門”尤其重要，即在山谷溝底處用木柴加上碎石修建，以便排水。
60年代我在寧夏看到當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在黃河岸邊用草土圍堰圍堵進(jìn)占河道，工人們站在草體上，用一層草一層土，再一層草一層土在水中逐漸堆筑形成的擋水結(jié)構(gòu)。其下層的草土體靠上層草土體及人的的重量，使之逐步下沉并穩(wěn)定，堰體邊坡很小，甚至可以沒(méi)有邊坡。我在東北農(nóng)村，也見(jiàn)到當(dāng)?shù)剞r(nóng)民為了抬高河水位用以灌溉，普遍在河道修建柳條壩，就是用小捆、順直的柳條和砂石、塊石、泥包等逐層壘砌在一起，也可作為河堤、河岸、河底的圍護(hù)建筑物，及攔河壩、跌水坎、溢流堰之類的建筑物。拉哈辮草房是東北的滿族人的筑房技術(shù)：首先以谷草等編成草辮，在泥漿浸泡，分層纏繞在木立柱上，形成外墻；最后再用麻刀泥抹平。
冬暖夏涼，堅(jiān)固耐久，房頂苫草為濕地產(chǎn)的小葉蔁，百年而不毀。
中華民族作為一個(gè)主要是農(nóng)耕的民族，聚集于河流中下游兩側(cè)，其生存與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)首先遇到的問(wèn)題就是水害與水利。與自然抗?fàn)?，?dāng)時(shí)最應(yīng)手的武器也就是柴草與土石。把二者結(jié)合起來(lái)，利用植物纖維的連續(xù)性和抗拉性，加上黏性土的抗?jié)B性，碎石的透水性和抗沖性。筑壩修堤，攔洪堵決，是很自然的選擇?？脊乓呀?jīng)證明，我國(guó)的文明并非中原一枝獨(dú)秀，而是各地分別獨(dú)立進(jìn)化與發(fā)展：如中原文化、紅山文化、三星堆文化、良渚文化和羅布泊西北地區(qū)。從多處的考古發(fā)現(xiàn)可以推斷，這類水利工程中的加筋土結(jié)構(gòu)，最早可能是各地因地制宜，就地取材而獨(dú)立形成的，但后來(lái)又有交集與傳承。幾千年來(lái)，不斷發(fā)展與完善。
早在5000年前，良渚文化的早中期，先民們就利用當(dāng)?shù)氐呢S富的柴草與淤泥，作成草裹泥的加筋土，用以筑壩擋水。在大約4100年前，大禹治水為了攔截洪水，整治河道，調(diào)節(jié)沖淤，主要采用木竹+碎石等加筋結(jié)構(gòu)。這就是傳說(shuō)中的“息壤”。在2000多年前的秦漢時(shí)期，這類加筋土被稱為“茨防”。秦代李冰父子修建都江堰，為漕運(yùn)而開(kāi)靈渠，所用的竹籠、榪槎等結(jié)構(gòu)物似乎就是息壤的后代；漢代的大漢漕渠，治河堵決，修筑長(zhǎng)城等繼承了“草裹泥”和息壤的技術(shù)，并就地取材，有所發(fā)展。宋代以后，治河已經(jīng)形成獨(dú)立的工法，即“埽工”，一直傳承至今。
西方的學(xué)者們以自我為中心，認(rèn)為科學(xué)技術(shù)的歷史都源于歐州。對(duì)于加筋土，他們普遍的說(shuō)法是：1963年，法國(guó)的工程師亨利.維達(dá)(Henri.Vidal) 在觀察鳥(niǎo)類利用泥和草筑巢，受到啟發(fā)；提出來(lái)加筋土這一新概念。并提出并建造了金屬片+砂質(zhì)粉土建成加筋擋土墻，這真是十分可笑。加筋土這一概念與技術(shù)在史前人類文明的早期就已形成和使用。
土工合成材料由于高分子合成技術(shù)而出現(xiàn)的，成為繼木材、鋼材和水泥之后的第四種建筑材料，使古老的加筋土技術(shù)煥發(fā)青春。
圖17 土工合成材料在長(zhǎng)江航道整治工程中的應(yīng)用
從圖17，可見(jiàn)古老的卷埽的影子。圖18為加筋土坡與加筋擋土墻，也很像是古長(zhǎng)城的現(xiàn)代版。
圖18 土工合成材料加筋結(jié)構(gòu)
到了20世紀(jì)七、八十年代，由于化學(xué)工業(yè)和合成材料的發(fā)展，高強(qiáng)度、高模量的土工合成材料出現(xiàn)了，隨后，它們?nèi)藗冊(cè)O(shè)計(jì)和造出了各種性狀、各種功能和各種用途的產(chǎn)品。作為人造產(chǎn)品，它們規(guī)格一致、批量巨大，可以按照人們的需求生產(chǎn)，具有天然纖維筋材不可比擬的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，各種工程學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)手段和技術(shù)也被用于加筋土工程設(shè)計(jì)，各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和商用程序也被普遍使用，使加筋土工程定量化和規(guī)范化。這是科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。目前高達(dá)幾十米，上百米的土工格柵加筋擋土墻已經(jīng)不罕見(jiàn)了。
但我們應(yīng)當(dāng)正確地認(rèn)識(shí)和研究人類的科技史，切不可數(shù)典忘祖。
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